Будова та принцип дії лазера

Основою оптичного квантового генератора є речовина, що має метастабільні рівні. Робота лазера починається з ви­користання зовнішнього джерела енергії для створення інверсної заселеності енергетичних рівнів. Цей процес називається "підкачкою". Будова та принцип дії лазера розглянемо на прикладі рубінового лазера. Робочим тілом цього лазера є кристал штучного рубіна, що становить окис алюмінію А1₂О₃, в якому атоми алюмінію у незначній кількості заміщені атомами хрому. При поглинанні світла, яке випромінюється імпульсною ксеноновою лампою (λ ~ 560 нм), іони хрому переходять у збуджений стан.

Повернення іонів в основний стан здійснюється двома послідовними переходами:

1. Віддаючи частину енергії кристалічній решітці рубіна, збуджені іони хрома безвипромінювально переходять на проміжний рівень, який являється метастабільним. Завдяки малій ймовірності переходу з метастабільного стану в основний та при достатній потужності "підкачки" створюється інверсна заселеність основного та метастабільного рівнів.

2. Фотон, який випромінюється при спонтанному переході іона хрома з метастабільного стану в основний, викликає зростаючий потік фотонів у результаті індукованих випромінювальних переходів збуджених іонів хрома між цими рівнями. Фотони з напрямком руху, паралельним вісі рубінового стержня, відбиваючись від торцових дзеркал, залучають дедалі більшу кількість іонів хрому в індуковане випромінювання. Створюється фотонна лавина. При достатньому підсиленні частина пучка виходить крізь напівпрозорий торець кристала. Таким чином, рубіновий лазер працює в імпульсному режимі.

Застосування лазерів у медицині базується на таких властивостях лазерного випромінювання: високій інтенсивності, високій монохроматичності, когерентності, вузості пучка, малій тривалості випромінювання у випадку імпульсних лазерів. Нагадаємо деякі важливі області застосування лазерів у медицині:

1. Безкровна хірургія. Розтинаючи тканину, лазерний промінь викликає коагуляцію білка, запобігаючи капілярній кровотечі.

2. Офтальмологія. Лазерний промінь використовують для приварювання відшарованої сітківки та для лікування глаукоми - захворювання, пов'язаного з підвищенням тиску всередині ока. Протикаючи" лазерним променем мікроотвір в склері, створюють відтік рідини, в результаті чого тиск всередині ока зменшується.

3. Мікрохірургія. Використання лазерного променя дає можливість вибірково руйнувати кліткові органели.

4. Гастроскопія. З використанням гелій-неонового лазера та принципів волоконної оптики створено гастроскоп - прилад, такий дає змогу формувати голографічне (об'ємне) відтворення внутрішньої порожнини шлунка.

Дія лазерного випромінювання на живий організм виявляється через певні структурні, функціональні та біохімічні зміни. Результат дії залежить як від характеристик випромінювання, так і від властивостей тканин організму (поглинальної здатності, теплопровідності, питомої теплоти пароутворення тощо).

Під час взаємодії лазерного випромінювання з тканинами організму частина його енергії поглинається, а частина — відбивається.

Характерною особливістю лазерного випромінювання є також його селективна (вибіркова) дія на різні органи і системи. Усі компоненти організму (ферменти, гормони, вітаміни, пігменти) мають тільки їм властиві характеристики поглинання лазерного випромінювання. Під його впливом відбуваються зміни лише у тих середовищах, де воно поглинається, а ступінь поглинання залежить від оптичних властивостей середовища.

Внаслідок поглинання лазерного випромінюван­ня тканинами організму енергія випромінювання перетворюється в інші види енергії (внутрішню, енергію фотохімічних процесів, енергію електронних переходів), причому більша частина її перетворюється у внутрішню енергію. Під час підвищення температури від 37 до 60 ⁰С у тканинах не відбуваються структурні зміни. Починаючи від 60°С, спостерігається коагуляція, тобто перехід речовини з рідкого стану в твердий. При нагріванні до 100°С вода у клітинах закипає і перетворюється у пару. Зростає тиск у клітині, збільшується її об'єм, і клітинна стінка руйнується. Вода випаровується, нагріваючи навколишню тканину до температури 300...400 ⁰С. Тканина чорніє і починає диміти. При 500° С за наявності кисню тканина горить і випаровується.

Ушкодження живої тканини залежить, зокрема, від її забарвлення, мікроструктури та фізичної густини. Забарвлення печінки та селезінки зумовлює велику чутливість до дії випромінювання від аргонового лазера (0,48 та 0,51 мкм). Ферменти пришвидшують перебіг біохімічних реакцій в організмі. Вони найбільш чутливі до термічного ефекту від впливу лазерного випромінювання, внаслідок чого біохімічні реакції гальмуються і клітина відмирає.

Дані досліджень свідчать, що термічний ефект не єдиний у період дії лазерного променя на організм. У дослідах з опромінення голів мишей рубіновим лазером на шкірі черепа виявлені незначні ушкодження, а в мозку ушкодження та крововиливи були істотними. Це свідчить про ударний ефект лазерної радіації. Внаслідок швидкого нагрівання тканини теплота зосереджується в ділянці опромінення. Різке теплове розширення тканини поширюється у вигляді ударної хвилі.

У результаті взаємодії лазерного випромінювання з біологічною тканиною утворюються вільні радикали, які характеризуються великою хімічною активністю. Вважається, що радикали є хімічною основою зміни спадковості. їх накопичення спостерігається при патологіях, а також зумовлює біологічне старіння організму.

Під час роботи потужних лазерів виникає електромагнітне поле надвисокої частоти. Ці дециметрові, сантиметрові та міліметрові хвилі вкрай шкідливі для організму людини.

Велику роль у механізмі біологічної дії лазерного випромінювання відіграє дія на клітини та тканини внутрішніх ендотоксинів, які виникають у тканинах внаслідок опромінення (аутоінтоксикація). У свою чергу аутоінтоксикація посилює негативну дію на організм теплового та ударного ефектів, світлового тиску.

Залежно від виду лазера та енергії його випромінювання спостерігаються різні ефекти в біологічних тканинах. Випромінювання у вигляді безперервного потоку зумовлює в тканинах переважно тепловий ефект, а імпульсне випромінювання — ударний ефект.